Le pompe di calore geotermiche: come progettarle

Pompe di calore: tipologie e funzionamento

Che cosa sono e come si progettano le pompe di calore geotermiche? Questa tecnologia assume un ruolo chiave nella transizione energetica, favorendo la penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili e la decarbonizzazione. Finalità del presente articolo è analizzare l’applicazione di questa tecnologia in ambito edilizio dove trova ancora una diffusione limitata, considerando caratteristiche, progettazione, vantaggi e difficoltà di realizzazione.

L’European Green Deal e il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) pongono traguardi molto ambiziosi per i prossimi anni per rivoluzionare la politica energetica e ambientale dell’Italia e dell’Europa. Questi piani hanno diversi obiettivi, dal miglioramento dell’efficienza energetica, alla maggiore penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili nel mix energetico italiano, alla decarbonizzazione delle fonti energetiche. Per raggiungerli è necessaria l’introduzione di tecnologie che consentano al contempo di ridurre le emissioni di gas serra e altri inquinanti e che garantiscano sicurezza energetica, alta efficienza di funzionamento e accessibilità economica.

Nel 2021, secondo dati ISTAT, la fonte energetica che più incide sulla spesa domestica è il gas naturale, impiegato per il riscaldamento degli ambienti interni e dell’acqua calda sanitaria. L’ uso di questo gas fossile non solo incide sul bilancio di famiglie ed aziende, ma rende utopico il raggiungimento degli obiettivi climatici fissati per il 2030 e il 2050.

In molti casi le pompe di calore possono sostituire il gas naturale nel riscaldamento di edifici e acqua sanitaria.

Inoltre, presentano un alto valore di efficienza e possono essere alimentate da energia elettrica rinnovabile, consentendo un risparmio monetario concreto e una riduzione delle emissioni. Come riportato dalla European Heat Pump Association, stiamo assistendo ad una crescita del loro impiego: con 3 milioni di unità installate nel 2022, si è evitato di bruciare 4 miliardi di metri cubi di gas naturale e di emettere 8 milioni di tonnellate di CO2.

Tra queste, una particolare tipologia è rappresentata dalle pompe di calore geotermiche, ovvero che sfruttano il calore del terreno come base di partenza per la produzione del calore necessaria per il riscaldamento di un ambiente.

Vediamo quindi più nel dettaglio il loro funzionamento, le tipologie disponibili e come si progettano.

Principio di funzionamento delle pompe di calore

Una pompa di calore è un dispositivo che sfrutta i principi della termodinamica per trasferire calore da una sorgente calda ad una fredda. Il ciclo di funzionamento è l’inverso di quello frigorifero.

A seconda della sorgente, aria o terreno, sono disponibili diverse tipologie di pompe di calore. Ad oggi, grazie alla semplicità d’installazione e versatilità, la tecnologia più utilizzata è la pompa di calore ad aria. Uno svantaggio da tenere in considerazione è la variabilità della temperatura esterna, sia a livello giornaliero che stagionale, che influisce sul funzionamento della pompa di calore. Contrariamente, le pompe di calore geotermiche sfruttano il terreno come fonte di scambio termico, non risentendo della problematica della temperatura variabile. Il terreno, infatti, presenta una temperatura costante a profondità crescenti.

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Lo schema di una pompa di calore geotermica presenta diverse componenti (Figura 1). La sonda consiste in una serie di tubi interrati e permette lo scambio di calore tra la sorgente terreno e il fluido termovettore. Grazie alla temperatura costante del suolo, tra i 10 e i 15 °C a seconda della profondità, si ha un trasferimento di calore efficiente e costante tra un fluido termovettore composto da acqua e antigelo (glicole propilenico) che fluisce nella sonda e il fluido refrigerante impiegato (R-410A, R-134A, R-407C per citarne alcuni). Quest’ultimo viene convogliato in un compressore per aumentarne la temperatura e infine in uno scambiatore di calore. Il ciclo si conclude con una valvola di espansione.

Le pompe di calore geotermiche si suddividono in due macrocategorie: sistemi a ciclo chiuso e sistemi a ciclo aperto.

Sistemi a ciclo chiuso

Il fluido termovettore viene ricircolato in un circuito chiuso. I sistemi di questa tipologia si suddividono, in funzione della profondità di installazione della sonda, in bassa, media ed alta profondità.

Bassa profondità

Le pompe di calore geotermiche a bassa profondità sono costituite da tubi la cui profondità nel terreno è compresa tra i 0,8 e i 4 metri. Sono caratterizzate da diversi vantaggi: un basso impatto ambientale, un moderato costo di installazione e non necessitano di autorizzazioni specifiche per la loro realizzazione. Tuttavia, occupano un’ampia superficie orizzontale e, quindi, vengono principalmente utilizzate per impianti di piccola taglia. È importante, inoltre, in fase di progettazione tenere presenti alcuni aspetti di natura tecnica.

In primo luogo, bisogna considerare la tipologia di terreno, in quanto da esso dipende il processo di posa della sonda.

In presenza di un terreno sabbioso non c’è bisogno di nessun tipo di intervento. Al contrario, nel caso di terreni argillosi, è necessario ricorrere alla tecnica della frantumazione al fine di rimuovere grosse zolle presenti in questa tipologia di terreno. Infine, in presenza di frazioni più grossolane come ghiaia e pietrisco (comunemente detto eterogeneo), è necessario procedere con il riempimento dello scavo e degli scambiatori di calore con una miscela di sabbia, cemento ed acqua, in modo da facilitare lo scambio termico. È da notare che, nonostante questi ultimi due casi presentino un costo di installazione maggiore, dispongono tuttavia di una maggior capacità termica rendendoli, a parità di superficie interessata, più produttivi.

Per questa tipologia di pompe di calore, un altro aspetto importante è l’ombreggiatura della superficie: a basse profondità, la temperatura della sorgente a contatto con la sonda dipende prevalentemente dall’azione del Sole. Infine, è importante porre attenzione alla temperatura del terreno di utilizzo in quanto, uno scambio termico eccessivo, oltre ad influire negativamente sulla resa dell’impianto, porterebbero anche ad un impatto negativo sulla vegetazione circostante.

Per questa tipologia di impianti si possiede un’ampia scelta di sonde utilizzabili:

• il sistema a serpentina, il più utilizzato grazie alla sua semplicità di posa e fissaggio al terreno;
• il sistema a chiocciola, che garantisce un’omogeneità di temperatura nel suolo;
• il sistema a spirale o ad anelli occupa una minore superficie, in quanto i tubi sono sovrapponibili, ma può determinare fenomeni di interferenza termica che peggiorano il rendimento del sistema.

Media profondità

Le pompe di calore a media profondità sono generalmente usate quando la superficie disponibile è minore rispetto alla superficie necessaria per installare sistemi a bassa profondità. Le pompe di calore con tubi a media profondità (fino a 30 metri) presentano una trasmissione del calore più efficiente a parità di superficie. Questo vantaggio è dovuto alle temperature più elevate del terreno a una profondità più elevata.

Tuttavia, questa soluzione presenta un costo d’installazione più elevato rispetto alla soluzione precedente e la necessità di ottenere autorizzazioni specifiche per la realizzazione dell’impianto.

Per questa tipologia, si fa uso di sonde coassiali formate da due tubi concentrici di materiale diverso. Il tubo interno, in cui fluisce il fluido freddo proveniente dalla pompa di calore, è realizzato in polietilene. Il tubo esterno è realizzato in genere in acciaio inox, dotato di una maggiore resistenza in caso di sollecitazioni esterne.

Quando l’edificio in oggetto presenta pali di fondazione per necessità strutturali, questi possono essere usati direttamente come scambiatori di calore, inserendo tubi ad U o a spirale. Questa soluzione presenta rese termiche paragonabili alle sonde ad alta profondità.

Alta profondità

Rientrano in questo caso le sonde che raggiungono profondità fino a 200 metri. Questa tecnologia presenta la resa termica più alta, in quanto a queste profondità la temperatura del terreno è più elevata e costante al variare della stagione. Tuttavia, essa presenta costi maggiori rispetto alle soluzioni precedenti, in quanto i materiali di tubi e sonde devono sostenere pressioni più elevate. Inoltre, l’installazione del sistema risulta più complessa a maggiori profondità.

Per esempio, si rende necessario l’uso di pesi per consentire l’inserimento dei tubi nel terreno. Inoltre, nel caso di installazione di molteplici sonde, sono necessari almeno 8 metri di distanza l’una dall’altra in modo tale da evitare interferenze termiche che possano comprometterne i rendimenti di scambio termico.

Sistemi a ciclo aperto

L’acqua di falda viene direttamente prelevata dal sottosuolo per mezzo di un pozzo e reimmessa al termine del processo di scambio termico, assumendo il ruolo di fluido termovettore durante lo scambio termico nell’evaporatore della pompa di calore.

Bisogna prestare particolare attenzione alla sostenibilità del processo, senza alterare la natura termica e compositiva della falda acquifera. In particolare, l’immissione dell’acqua di falda deve avvenire in un punto ad una distanza tale da non modificare la temperatura dell’acqua estratta. Future evoluzioni della falda, sia di natura antropologica che no, potrebbero alterare il funzionamento del sistema, a costo della sua efficienza.

I sistemi a ciclo chiuso si presentano come una soluzione più economica dei sistemi a ciclo aperto, ma di più complicata fattibilità e progettazione.

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Nel pdf è presente un esempio di progettazione di un impianto e una descrizione sulle pompe di calore ad aria e geotermiche.